導(dǎo)水裂隙帶頂板硬巖參數(shù)的探討

導(dǎo)水裂隙帶頂板硬巖參數(shù)的探討

隨著我國(guó)東部可采礦產(chǎn)資源的減少，以及全球開采技術(shù)的進(jìn)步，采采區(qū)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，頂板和地表水體下采采區(qū)的發(fā)育高度不斷變化，其科學(xué)應(yīng)用越來越重要。長(zhǎng)期以來,許多煤炭科學(xué)工作者對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行了研究,取得了較豐碩的成果。以煤炭科學(xué)研究總院劉天泉為代表的一批學(xué)者經(jīng)過幾十年的理論研究、實(shí)驗(yàn)和推廣應(yīng)用,得到了計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式,對(duì)影響導(dǎo)水高度發(fā)育的因素及導(dǎo)水高度發(fā)育的過程也有較深入研究。王金莊等研究了連續(xù)大面積開采條件下托板控制巖層變形模型;姜福興提出了“巖層質(zhì)量指數(shù)”;高延法提出了巖移“四帶”模型等,對(duì)解釋和計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶的形狀和高度都有重要意義。但由于地質(zhì)環(huán)境條件及巖(土)體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,過去的研究還存在較大的局限性?？傮w上看,導(dǎo)水裂隙帶高度的研究,至今仍處在理論探索和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用水平。我國(guó)目前對(duì)頂板導(dǎo)水裂隙帶(含垮落帶、斷裂帶,或簡(jiǎn)稱“兩帶”)高度的預(yù)計(jì)計(jì)算,主要是依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“三下”規(guī)程)、“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”。但是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受到地質(zhì)條件、頂板覆巖結(jié)構(gòu)和采煤工藝等多種因素的影響。我國(guó)不同礦區(qū)的地質(zhì)條件和頂板覆巖結(jié)構(gòu)有較大差異,采煤工藝也隨著技術(shù)力水平的提高和發(fā)展,出現(xiàn)了分層綜采、厚煤層一次采全高、厚煤層綜放開采及快速推進(jìn)高產(chǎn)高效等采煤新技術(shù),導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙實(shí)際發(fā)育高度在不同礦區(qū)有較大變化范圍,因此,有些礦區(qū)的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度與規(guī)程中的預(yù)測(cè)公式的計(jì)算結(jié)果并不完全相符。鑒于上述原因,對(duì)于在水體下采煤的安全評(píng)價(jià)和突水預(yù)測(cè),僅僅采用規(guī)程中的公式或前人在其他礦區(qū)提出的計(jì)算公式進(jìn)行導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度計(jì)算是難以滿足安全要求的,因而有必要對(duì)其進(jìn)行專門的研究和探討,盡可能全面的考慮主要因素,以獲得水下采煤導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的多因素定量預(yù)測(cè)公式,提高突水預(yù)測(cè)的可靠性和礦井安全?！叭隆币?guī)程中給出的經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)水裂隙帶Hf僅與開采煤層厚度M相關(guān)。但根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐與理論研究,煤層開采頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受到多種因素的影響,如采高、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、頂板管理方式、工作面斜長(zhǎng)、采深等,這些影響因素一般具有復(fù)雜、難定量、非線性等特點(diǎn)。其對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已有不同程度的研究,然而具體對(duì)“兩帶”高度如何影響,影響多大,目前沒有滿意的量化研究結(jié)果。規(guī)程中經(jīng)驗(yàn)公式所依據(jù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于20世紀(jì)50—80年代炮采、普采、分層開采(厚煤層)工作面實(shí)測(cè)值,且采深較小,一般不超過500m。綜合機(jī)械化采煤(綜采)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新的采煤方法,目前已在全國(guó)得到了普遍應(yīng)用;而針對(duì)綜采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的預(yù)計(jì),目前還未有令人滿意的公式。因此如何確定導(dǎo)水裂隙帶的高度,一直是工程地質(zhì)及相關(guān)學(xué)科研究的課題之一[13,14,15,16,17,18]。本文通過調(diào)研,收集了山東省(魯西南地區(qū))及鄰近省份安徽省綜采導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)例,分析影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的幾種常見因素,并研究導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與多種影響因素之間的關(guān)系式,預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度,為礦井突水預(yù)測(cè)和制訂礦井水害防治決策提供重要理論依據(jù)。1影響導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊囊蛩?.1頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度根據(jù)“三下”規(guī)程中對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)計(jì),考慮有以下幾個(gè)影響因素:(1)煤層厚度。更準(zhǔn)確的說是采高,該指標(biāo)反映了地下開挖垂向高度大小對(duì)開挖后頂板巖體應(yīng)力重分布、變形和破裂范圍的影響,因此是主要指標(biāo)之一;在傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式中(“三下”規(guī)程、“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”),是預(yù)計(jì)導(dǎo)水高度的惟一影響參數(shù)。(2)頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度。據(jù)煤礦工程地質(zhì)與巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論,采空區(qū)頂板巖層的強(qiáng)度不同,其采后頂板巖體應(yīng)力重分布、變形和破裂范圍也不同;頂板巖層的單軸抗壓強(qiáng)度是便于測(cè)定、反映巖層強(qiáng)度的指標(biāo);“三下”規(guī)程和“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”中也根據(jù)頂板單軸抗壓強(qiáng)度大小分為軟弱、中硬、堅(jiān)硬頂板類型。但由于導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)一般涉及多層巖層,具體應(yīng)用時(shí)如何取值,沒有說明。(3)頂板巖層結(jié)構(gòu)類型。煤層頂板巖體的結(jié)構(gòu)類型不同,其開采后頂板破裂高度范圍也不同。實(shí)踐表明,頂板巖體軟弱破碎,其采動(dòng)破裂高度發(fā)育相對(duì)小;堅(jiān)硬完整頂板巖體采動(dòng)破裂高度相對(duì)大。按照產(chǎn)生導(dǎo)水高度由大到小的順序,頂板巖性結(jié)構(gòu)排序?yàn)?堅(jiān)硬-堅(jiān)硬型、軟弱-堅(jiān)硬型、堅(jiān)硬-軟弱型、軟弱-軟弱型。對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響因素,目前規(guī)程中一般只考慮以上3種,但是對(duì)頂板類型的軟弱、堅(jiān)硬卻不好劃分。因此在實(shí)際預(yù)測(cè)導(dǎo)水高度時(shí)考慮這些影響因素并不全面。1.2工作面深度、推進(jìn)速度和硬巖巖性比例系數(shù)根據(jù)煤礦工程地質(zhì)基礎(chǔ)理論和煤礦生產(chǎn)實(shí)踐,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響因素,除了煤厚、頂板巖層結(jié)構(gòu)類型、頂板巖層單軸抗壓強(qiáng)度之外,還應(yīng)該考慮以下幾因素:(1)工作面斜長(zhǎng)。斜長(zhǎng)是和煤厚一樣,屬開采空間尺寸對(duì)導(dǎo)水高度影響的指標(biāo)。目前經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,采空區(qū)尺寸在覆巖不充分采動(dòng)的條件下起作用,當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到覆巖充分采動(dòng)條件時(shí),基本上不起作用。(2)采深。據(jù)煤礦工程地質(zhì)與巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論,地下開挖空間附近巖層的地應(yīng)力大小、狀態(tài),對(duì)開挖后圍巖的破壞范圍大小有較重要影響。一般情況下,工作面圍巖的原巖應(yīng)力隨深度增加而增大,因此開采深度對(duì)導(dǎo)水高度造成一定的影響。(3)推進(jìn)速度。工作面推進(jìn)快慢對(duì)頂板及覆巖變形破壞過程有較明顯影響。煤厚、斜長(zhǎng)、采深、推進(jìn)速度在煤礦工程地質(zhì)勘探和設(shè)計(jì)階段都比較容易獲取,但是對(duì)于軟硬相間、多層巖層組成的煤層頂板巖體,定量描述其整體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)區(qū)別則不太容易。(4)硬巖巖性比例系數(shù)。為了避免現(xiàn)行規(guī)范中堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱頂板類型劃分時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)確定問題,以及未反映頂板軟硬巖層組合結(jié)構(gòu)問題,在此提出一個(gè)新的參數(shù)指標(biāo)即硬巖巖性比例系數(shù)b,代替頂板組合巖層單軸抗壓強(qiáng)度和頂板巖層結(jié)構(gòu)類型兩個(gè)影響因素。硬巖巖性比例系數(shù)是指煤層頂板以上統(tǒng)計(jì)高度內(nèi)(導(dǎo)水裂隙帶高度),硬巖與統(tǒng)計(jì)高度的比值,參與統(tǒng)計(jì)的硬巖主要指砂巖(細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖)、混合巖、火成巖。即,其中M為采高;∑h為估算的導(dǎo)水裂隙帶高度范圍內(nèi)的硬巖巖層統(tǒng)計(jì)的累計(jì)厚度(根據(jù)地方預(yù)計(jì)導(dǎo)水高度的經(jīng)驗(yàn)來考慮取多少倍的煤厚,一般為頂板15~20倍采高)。b的范圍在0~1之間,當(dāng)b=0時(shí),說明頂板是極軟弱頂板類型;當(dāng)b=1時(shí),頂板是堅(jiān)硬頂板類型;當(dāng)0<b<1時(shí),頂板類型介于軟弱、堅(jiān)硬之間。采用該指標(biāo),可反映煤層頂板強(qiáng)度類型、巖性組合。該指標(biāo)可通過鉆孔柱狀圖確定,如圖1所示。根據(jù)柱狀圖可以確定硬巖巖性比例系數(shù)b,即。該指標(biāo)具有反映頂板堅(jiān)硬程度、結(jié)構(gòu)組合關(guān)系的特點(diǎn),且在工程地質(zhì)勘探階段容易獲取。綜上所述,影響導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的因素可以歸納為:采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深、工作面推進(jìn)速度。2其他影響因素在“三下”規(guī)程中和“礦井水文地質(zhì)規(guī)程”中對(duì)導(dǎo)水高度的預(yù)計(jì),只考慮煤厚一個(gè)因素,其他常見影響因素并未考慮,因此在預(yù)測(cè)導(dǎo)水高度時(shí)具有一定的不科學(xué)性。為了研究各個(gè)影響指標(biāo)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響,調(diào)研和收集了山東省(魯西南地區(qū))及鄰近省份安徽省綜采導(dǎo)水裂隙帶高度實(shí)例共39例,整理得到相關(guān)影響因素?cái)?shù)據(jù)見表1。3導(dǎo)水裂隙帶高度與采高、采深關(guān)系回歸分析方法是一種建立統(tǒng)計(jì)觀測(cè)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的方法,通過自變量的變化來解釋因變量的變化,從而由自變量的取值預(yù)測(cè)因變量的可能值。多元回歸分析預(yù)測(cè)法,是指通過對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的自變量與一個(gè)因變量的相關(guān)分析,建立預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。當(dāng)自變量與因變量之間存在線性關(guān)系時(shí),稱為多元線性回歸分析。許多非線性回歸都可以化為多元線性回歸來解決,因而可以用線性回歸方法解決非線性回歸預(yù)測(cè)問題。多元線性回歸分析是用于分析n個(gè)自變量和因變量之間的相關(guān)關(guān)系,其基本模型為用最小二乘法求回歸系數(shù)β0,β1,β2,…,βn,過程如下:其中,自變量x1i,x2i,…,xni,因變量yi都是具體已知觀察值,為求回歸系數(shù)對(duì)β0,β1,β2,…,βn求導(dǎo),并令其一階導(dǎo)數(shù)為0,得研究導(dǎo)水裂隙帶高度與各因素指標(biāo)之間的相關(guān)性通過SPSS軟件的操作來實(shí)現(xiàn),該軟件提供了從簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)描述到復(fù)雜的多因素統(tǒng)計(jì)分析方法。分析導(dǎo)水高度與各單因素指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系時(shí),考慮在其他影響因素相近的情況下,選取具有代表性的數(shù)據(jù),應(yīng)用一元回歸,找出相關(guān)系數(shù)最大的一元回歸模型。對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度與各影響因素進(jìn)行一元回歸分析,研究導(dǎo)水高度與煤層采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深之間的相關(guān)關(guān)系。通過非線性分析,研究在采高相近的情況下,導(dǎo)水高度與硬巖巖性比例系數(shù)的關(guān)系,以及研究在硬巖巖性比例系數(shù)相近的情況下,導(dǎo)水高度與采高之間的相關(guān)關(guān)系,如圖2,3所示。在研究導(dǎo)水高度與斜長(zhǎng)、采深之間的相關(guān)關(guān)系時(shí),通過軟件篩選數(shù)據(jù),選出在采高和硬巖巖性比例系數(shù)相近的情況下,具有代表性的斜長(zhǎng)、采深的數(shù)據(jù)。運(yùn)用曲線回歸分析這些數(shù)據(jù),通過對(duì)導(dǎo)水高度與斜長(zhǎng)、采深的各種曲線回歸分析研究,得到各種曲線模型,從這些模型中選出相關(guān)系數(shù)最大的模型,即相關(guān)系數(shù)越大,導(dǎo)水高度與斜長(zhǎng),與采深的相關(guān)性就越好。因此可得出導(dǎo)水高度與斜長(zhǎng)、采深的相關(guān)關(guān)系如圖4,5所示。根據(jù)實(shí)際開采經(jīng)驗(yàn),當(dāng)斜長(zhǎng)很小時(shí)(如小于30m),上覆巖層能形成自穩(wěn)平衡拱,斜長(zhǎng)對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度的影響很小。在煤層未充分采動(dòng)的情況下,導(dǎo)水高度隨著斜長(zhǎng)的增加而增加;充分采動(dòng)下,隨斜長(zhǎng)的增加,導(dǎo)水高度也增加,但增加的幅度不大,增加到一定的程度基本上不再增加(圖4)。研究導(dǎo)水高度與采深的關(guān)系,在一定采深范圍內(nèi),隨采深增加,地應(yīng)力值增大,采動(dòng)后頂板巖層水平卸荷破裂高度也隨著增加。但當(dāng)采深達(dá)到一定程度后,導(dǎo)水高度的增加幅度會(huì)因水平地力值過高致使在很短時(shí)間內(nèi)采動(dòng)卸荷裂隙閉合,導(dǎo)水高度基本上不再隨著采深的增大而增加(圖5)。在研究推進(jìn)速度對(duì)導(dǎo)水高度的影響時(shí),目前得到的數(shù)據(jù)一般是在工作面推過后2個(gè)月以后的觀測(cè)數(shù)據(jù),反映的是導(dǎo)水高度發(fā)育已基本穩(wěn)定的高度值,因此據(jù)此回歸得到的推進(jìn)速度對(duì)導(dǎo)水高度的影響不大。通過對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度與各個(gè)單因素之間的回歸分析可知,導(dǎo)水高度與采高、硬巖巖性系數(shù)成較好的線性關(guān)系,與工作面斜長(zhǎng)成自然對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系,與采深成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。應(yīng)用多元非線性回歸,分別分4種情況分析導(dǎo)水高度與各影響指標(biāo)之間的關(guān)系式,求出每種情況下各影響因素的回歸系數(shù),得到了綜采導(dǎo)水裂隙帶與不同數(shù)量影響因素的回歸經(jīng)驗(yàn)公式:(1)考慮采高、硬巖巖性比例系數(shù)2個(gè)因素,得到擬合公式:(2)考慮采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)3個(gè)因素,得到擬合公式:(3)考慮采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深4個(gè)因素,得到擬合公式:(4)考慮采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、采深、推進(jìn)速度5個(gè)因素,得到擬合公式:式中,l,s,v分別為工作面斜長(zhǎng)(m)、采深(m)、推進(jìn)速度(m/d)。對(duì)比分析以上4個(gè)回歸經(jīng)驗(yàn)公式和“三下”規(guī)程中的經(jīng)驗(yàn)公式(表2)所預(yù)測(cè)的值與實(shí)測(cè)導(dǎo)水高度之間的誤差,選取部分?jǐn)?shù)據(jù)的誤差見表3。由以上幾個(gè)擬合公式和規(guī)程中的導(dǎo)水高度計(jì)算公式所得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的誤差比較可知,應(yīng)用規(guī)程中的公式計(jì)算的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差比較大,而擬合公式所預(yù)計(jì)的值與導(dǎo)水高度實(shí)測(cè)值相差不大,誤差較小。因此在預(yù)計(jì)導(dǎo)水高度時(shí),可根據(jù)工程地質(zhì)勘探情況,選擇適合的擬合公式預(yù)計(jì)導(dǎo)水高度。由表3的誤差可看出,預(yù)計(jì)導(dǎo)水高度時(shí)基本上考慮越多的因素,預(yù)測(cè)的值越準(zhǔn)確。4應(yīng)用試驗(yàn)將上述所得到的導(dǎo)水裂隙帶高度與多因素之間的關(guān)系式應(yīng)用于淮南謝橋煤礦首采區(qū)11213工作面,預(yù)測(cè)煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育的高度。4.11硬巖巖性比例系數(shù)b11213工作面地面標(biāo)高+23.12m,工作面標(biāo)高-476.80m,煤層埋深d=499.92m。11213工作面斜長(zhǎng)L=150m。11213工作面13-1煤層厚度4.8m。根據(jù)淮南開采煤層的經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)水高度一般在15倍的采高之內(nèi),在計(jì)算硬巖巖性比例系數(shù)b時(shí),統(tǒng)計(jì)高度取15M的高度計(jì)算。根據(jù)所給的部分鉆孔柱狀圖,取15M范圍內(nèi)的高度計(jì)算硬巖巖性比例系數(shù)b,得出。部分鉆孔柱狀圖如圖6所示。4.2導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)測(cè)由上述參數(shù)的確定,11213工作面的導(dǎo)水裂隙帶受到煤厚、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長(zhǎng)、煤層埋深4個(gè)因素的影響,采用以下公式來預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度,即,得預(yù)計(jì)的導(dǎo)水裂隙帶高度為57.12m。經(jīng)導(dǎo)水裂隙帶高度鉆孔實(shí)測(cè)(觀測(cè)時(shí)間為1998-02-28—1998-03-17),高度為54.79m;預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差很小,相對(duì)誤差為4.25%。說明本文提出的綜采導(dǎo)水裂隙帶高度多因素預(yù)測(cè)計(jì)算公式較符合實(shí)際,為頂板水害預(yù)測(cè)防治提供科學(xué)依據(jù)。5多因素分析和回歸模型的建立(1)提出了影響煤層頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度新的參數(shù)指標(biāo)即硬巖巖性比例系數(shù)b,采用該指標(biāo),可以反映煤層頂板強(qiáng)度類型、巖性組合,避免了現(xiàn)行